Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Российский Химико-технологический Университет им. Д. И. Менделеева Кафедра Химической технологии пластических масс В. А. Дятлов Введение в технологию полимеров медико-биологического назначения. Курс для специальности 25. 02, специализации 25. 04 Москва, 2010 1
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 1 Введение. Тема 1 Основные понятия и термины. «Биополимеры» и «Медицинские полимеры» Понятия, характеризующие взаимодействие полимера с организмом. Применение полимеров в медико-биологических областях. Рынок медицинских полимеров и изделий из них. 2
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 6 Имплантаты в системах, образованных костной и хрящевой тканями. 3
Костная система тела человека. • Костное вещество -особый вид соединительной ткани (костная ткань) • Структурная единица компактного вещества кости — остеон • Состоит из 5 -20 цилиндрических пластинок, вставленных одна в другую. • В центре каждого остеона проходит Гаверсов канал • Между костными пластинками в лакунах залегают костные клетки (остеоциты). Лакуны соединяются друг с другом с помощью мельчайших канальцев, в которых проходят отростки остеоцитов. 4
Костная система тела человека. Состав костей: • Неорганические вещества (фосфаты и карбонаты кальция, фосфат магния, фторид, хлорид кальция и др. ) 60— 70 % веса кости. • Органические (оссеин) 30— 40 % веса кости. Костное вещество: • Плотное , компактное • Губчатое • Наружная поверхность кости надкостница, оболочка из соединительной ткани, содержащая кровеносные сосуды и клеточные элементы и служащая для питания, роста и восстановления кости. • Внутренние полости кости выполнены особой мягкой тканью - костным мозгом Форма костей: • трубчатые кости • широкие кости (плоские, изогнутые, вогнутые) • короткие кости (неправильные, округленные или многогранные) 5
Костная система тела человека. Развитие кости происходит двумя способами: § из соединительной ткани (кости свода и боковых отделов черепа, нижняя челюсть) § из хряща (большинство костей скелета) Роль хрящевой ткани: § Предшественник костной ткани (хрящевая ткань подвергается процессу разрушения, всасывания и вместо неё образуется, при деятельном участии остеобластов костная ткань) § Компонент многих систем (покрывает суставные поверхности, хрящевая часть ребер, основа ушной части раковины и пр. ) 6
Костная система тела человека. § Рост кости в длину – в не окостеневших частях кости (в трубчатых костях между эпифизами и диафизом), либо путём отложения новых частиц ткани между существующими ( «интуссусцепция» ); § Утолщение костей происходит путём отложения на поверхности кости новых слоев ( «аппозиция» ) благодаря деятельности остеобластов надкостницы. § Разрушение, всасывание ( «резорбция» ) участков костной ткани происходит за счет деятельности остеокластов, многоядерные элементы, которые наблюдаются на стенках мозговых полостей, в надкостнице и стенках больших полостей в кости Функции костной системы: § Перемещение частей тела человека § Компенсирование и передача механических нагрузок (защита внутренних органов от внешних воздействий) § Депо минеральных веществ организма § Кроветворная функция, реализуемая костным мозгом 7
Костная система тела человека Применение полимеров при имплантации в костной системе: Небиодеградируемые материалы • Для закрытия дефектов костей черепа; • В челюстно-лицевой хирургии; • Для протезирования утерянных фаланг пальцев конечностей; • Для эндопротезирования суставных соединений. Биодеградируемые материалы • Детали крепления костных отломов • Некоторые типы клеевых и пломбирующих композиций; • Замещения некоторых костей и их элементов. 8
Костная система тела человека Основные направления операций с использованием полимерных имплантатов: Замещение костей и их фрагментов Использование фиксирующих устройств Цементы, клеи, пломбировочные составы Операции на суставных соединениях Замещение объектов, образованных хрящевой тканью Биологически активные имплантаты, стимулирующие образование новой костной и хрящевой ткани 9
Костная система тела человека Замещение костей и их фрагментов Полимерные материалы: Полиолефины и композиты на их основе: • полиэтилен высокого давления • полипропилен Сложные полиэфиры и композиты на их основе: • Полилактиды Материалы на основе полисилоксанов Материалы на основе уретансодержащих полимеров Материалы на основе политетрафторэтилена (пористый политетрафторэтилен, наполненный пиролитическим графитом) • Гидроксиапатит или трикальцийфосфат обработанный Прочие материалы полиметилметакрилатом и (поливинилпирролидон, полимолочной кислотой армированный капроновыми • Блоксополимер полиэтиленоксида и волокнами и блоксополимеры полибутилентерефталата) простых полиэфиров и полиамидов) 10
Костная система тела человека Операции на суставных соединениях Эндопротезирование тазобедренного сустава Тазобедренный сустав образован полушаровидным концом (головкой) бедренной кости – (бедренная составляющая сустава) и глубокой ямкой тазовой кости (ветлужной впадиной) – (ацетабулярная составляющая сустава). Трение в живом суставе снижается поступлением в него смазки (синовиальной жидкости), представляющей собой раствор полисахаридов в воде. Применяемые полимерные материалы: • Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (ПЭСВММ); • Полиэтилентерефталат; • Полиамид-12; • Фторопласты; • Композиты на основе углероднаполненного ПЭСВММ; • Композиты на основе полиформальдегида; • Композиты на основе углерода и карбида кремния. 11
Костная система тела человека Операции на суставных соединениях Эндопротезирование коленного сустава Коленный сустав образован нижней частью бедренной кости и верхней частью большой берцовой кости. Укрепляет сустав мениск - коленная чашечка. Тип эндопротезирования: 1. Фрикционные накладки; 2. Полное замещение суставных концов костей. Применяемые полимерные материалы: • ПЭСВММ; • Композиты на основе ПЭСВММ, наполненный углеродными волокнами; • Пористые полиуретаны; • Пористые материалы на основе сополимера L-лактида и E-капролактона 12
Костная система тела человека Замещение локтевого и плечевого суставов Плечевой сустав образован полусферической впадиной лопаточной кости и шаровидным окончанием плечевой кости, помещающимся в эту впадину. Локтевой сустав представляет собой соединение, образованное с верхней стороны плечевой костью, а с нижней стороны двумя костями - локтевой и лучевой. Применяемые полимерные материалы: • ПЭСВММ Замещение суставов кистей рук Кисть руки человека содержит несколько суставов — лучезапястный, среднезапястный и ряд суставов, обеспечивающих движение пальцев, образованных рядом мелких костей. Применяемые полимерные материалы: • Жесткие силиконовые резины; • Пироуглерод. 13
Костная система тела человека Использование фиксирующих устройств Фиксирование отломов костей осуществляется с целью облегчения их сращивания с образованием новой костной ткани различными устройствами (штифтами, пластинами, болтами, винтами и т. д. ), вводимыми в место перелома. Небиодеградируемые материалы • Полиамид 12 • Пористый полисульфон • Композиты со связующим полипропиленом и наполнителем углеродом Биодеградируемые материалы • Полимеры и сополимеры гидроксикарбоновых кислот (гликолевая и молочная кислоты), а также композиты на их основе; • Сополимер метилметакрилата и N-винилпирролидона, армированный капроновыми волокнами 14
Костная система тела человека Клеевое соединение фрагментов костей и их крепление с эндопротезами Клеи и цементы служат соединительной фазой между соединяемыми костными и/или имплантированными объектами. Акриловый цемент – склеивающая система на основе полиметилметакрилата. Компоненты акрилового цемента: § Порошкообразный компонент (66 мас. %) – смесь полиметилметакрилата, бензоил пероксида и сульфат бария или диоксид циркония § Жидкий компонент (33 мас. %) – мономер метилметакрилат, ускоритель полимеризации (N, N-диметил-п-толуидин) и стабилизатор (гидрохинон) Улучшение свойств акрилового цемента: § Механических: за счет наполнителей (стекловидные минеральные волокна, оксид и гидроокись алюминия, диоксид кремния, карбонат кальция и др. ); за счет снижения конечной пористости (вакуумирование композиции после смешения, снижение температуры смеси при отверждении); § Взаимодействие с тканями: введение в костный цемент антибиотиков (гентамицин)
Костная система тела человека Другие склеивающие системы (на основе этилметакрилата, нбутилметакрилата, тримеллитового ангидрида и эфира на основе резорцина и глицидилметакрилата) Биодеградируемые системы (на основе цианакрилатов, полипептидов и желатина, олигомера полипропиленфумарата с концевыми эпоксидными и акрилатными группами) Пломбирование дефектов костей § Материалы природного происхождения (на пример, материал на коллагеновой основе, содержащий неорганические наполнители); § Материалы на основе полиуретанов; § Материалы на основе цианакрилатов (на пример, смесь 95% этилцианакрилата и 5% этоксиэтилцианакрилата); § Материалы на основе полиангидридов (диангидриды на основе метакриловой и двухосновных карбоновых кислот); § Материалы на основе полиакриламидного геля.
Костная система тела человека Замещение объектов, образованных хрящевой тканью Применение: § Для изготовления перемещающихся деталей эндопротезов суставов; § Самостоятельные объекты в организме (хрящевые межпозвоночные диски) Полимерные материалы: § Силиконовые и полиуретановые эластомеры, наполненные полиэфирными волокнами; § Полисилоксаны, модифицированные блоксополимерами стирола, этилена, бутадиена и полиэтилена; § Материалы на основе полигликолевой и полимолочной кислот, способные к биодеградации и замещению новой тканью.
Костная система тела человека Биологически активные имплантаты, стимулирующие образование новой костной и хрящевой ткани § Имплантируемые эндопротезы, предварительно покрытые клетками или тканью. Трансплантация клеток и тканей Полимерные материалы, используемые в качестве подложки для выращивания костной и хрящевой ткани: § Полиэфиры на основе гидроксикарбоновых кислот (полигликолиды, полилактиды, сополимеры молочной и гликолевой кислот); § Поликапролактон; § Природные полимеры (коллаген, хитин) Системы, стимулирующие образование гидроксиапатита § Поли(метакрилоилоксиэтилфосфат), привитой на шелковые волокна; § Фосфатсодержащий полимер, привитой на полиэтилен или полиэтилентерефталат
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 7 Эндопротезирование связок, сухожилий, мышц. Замещение мягких тканей. 19
Часть 2 Полимерные имплантаты. Эндопротезирование связок, сухожилий, мышц. Связки – плотные образования в виде тяжей, скрепляющие суставные соединения костей. Связки образованы плотной соединительной тканью и отличаются упругостью и высокой прочностью. Сухожилия – части мышц, при помощи которых мышцы прикрепляются, в первую очередь, к костям. Сухожилия образованы плотной соединительной тканью и почти не способны к растяжению. Мышцы – структуры, образованные мышечной тканью и представляющие собой образования, составленные из пучков мышечных волокон, построенных из мышечной ткани. В отличие от других типов тканей мышечная ткань способна к сокращению под действием нервного импульса. 20
Часть 2 Полимерные имплантаты. Эндопротезирование связок, сухожилий, мышц. Эндопротезирование связок и сухожилий § § § Замещение природных связок и сухожилий Параллельное введение с трансплантатами на основе натуральных связок Крепление материала к кости Полимерные материалы: § Полиэтилентерефталат § Вспененный политетрафторэтилен § Полимеры и сополимеры молочной и гликолевой кислот § Другие материалы (полипропилен, коллагеновые волокна, ароматический полиамид, композиты на основе углерода) 21
Часть 2 Полимерные имплантаты. Эндопротезирование связок, сухожилий, мышц. Эндопротезирование мышц Главная сложность – имитация функционирования мышечной ткани Решение проблемы – полимерные гели различного строения, способные обратимо изменять свой объем при внешнем воздействии физических факторов, преобразуя различные виды химической энергии в механическую работу. Полимерные материалы: § Криогели смеси поливинилового спирта с полиэлектролитами (полиакриловая кислота, гидрохлорид полиамина) § Гель на основе полиакриламид-2 -метилпропансульфона, поливинилового спирта и полиакриловой кислоты § Комплекс на основе полиакриловой кислоты, полиэтиленгликоля, поливинилового спирта и поли-N-винилпирролидона § Гидрогели из поливинилметилового эфира 22
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Заполнение послеоперационных полостей Требования к материалу: § Совпадение или сравнимость физико-механических свойств с замещаемой тканью § Способность к длительному функционированию в организме или замещению живой тканью § Легкость введения в организм Полимерные материалы: § Полисилоксаны и сшитые резины на их основе При отверждении силоксанов: 23
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Эндопротезы молочной железы Эндопротез молочной железы - эластичный полимерный мешок с мягким заполнителем, помещаемый в место имплантации через разрез на коже. Полимерные материалы: полимерный мешок § § Сшитые силиконовые резины Метилвинилсилоксановый каучук § Гели на основе силиконов (метилвинилсилоксановый каучук) Солевые растворы Жидкие природные масла (масла соевых бобов, арахисовые масла) § § § заполнители полимерного мешка Полиакриламидный гель 24
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Лицевые эндопротезы Имплантаты для устранения деформации лица применяют в перфорированном виде, что обеспечивает фиксацию имплантата и позволяет избежать нарушения кровоснабжения тканей. Полимерные материалы: § § Полисилоксаны Гель полиакриламида § Макропористый политетрафторэтилен § Хлорированный полиэтилен § Полилактиды и полигликолиды § Раствор коллагена, обработанный пепсином 25
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Реконструкция стенок полых органов Имплантат представляет собой полимерную сетку или пористую мембрану, которая после имплантации прорастает соединительной тканью, что способствует ее функционированию. Полимерные материалы: § Полиэтилен § Полипропилен § Полиэтилентерефталат § Вспененный политетрафторэтилен сетки мембрана 26
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Инжектируемые композиции Жидкие композиции, вводимые в организм при помощи шприца, бронхоскопа или другим способом, с последующим структурированием или вспениванием. Применение: § Косметическое формование объемных элементов (восстановительные операции на лице) § Заполнение аневризм § Заполнение послеоперационных полостей (операции на легких) § Заполнение свищей § Пломбирование путей для биологических жидкостей (протоки поджелудочной железы) Полимерные материалы: § Низкомолекулярные полисилоксаны (композиция «Панкреасил» на основе полисилоксана, тетраэтоксисилана, катализатора октоата олова и рентгеноконтрастного вещества) 27
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Инъекционные подкожные композиции - полимерные гелевые композиции, предназначенные для подкожного введения инъекцией преимущественно с косметическими целями – для увеличения полноты губ, выравнивание морщин и других неровностей на лице. Полимерные материалы: § § Гидрогели на основе полиакриламида Гидрогели на основе коллагена § Гидрогели на основе полидиметилсилоксана § Гели на основе гиалуроновой кислоты § Гели на основе частиц полимолочной кислоты § Комбинированные системы, содержащие помимо полимерного гидрогеля взвесь микрочастиц (полиметилметакрилат, полидиметилсилоксан и др. ) 28
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Склеивание мягких тканей применяется при соединении резорцированных мягких тканей, стенок ран, заменяя в этом шовные материалы. Применяются в операциях на почках, печени, поджелудочной железе, селезенке, сердце, легких. Требования к применяемому материалу: § Быстро образовывать клеевое соединение в условиях высокой влажности § Обеспечивать достаточную прочность и эластичность клеевого шва § Биодеградировать, замещаясь соединительной тканью § Сохранять прочность соединения на весь срок восстановления соединительной ткани § Не вызывать при отверждении сильную термическую реакцию § Не структурироваться в течение времени, достаточного для хранения и подготовки к операции. 29
Часть 2 Полимерные имплантаты. Замещение мягких тканей. Склеивание мягких тканей Применяемые материалы: § Изоцианатные клеи – полимерные системы, содержащие в макромолекуле боковые или концевые изоцианатные группы. § Полицианакрилатные клеи (цианакрилатный клей МК-6 на основе этоксиэтилцианакрилат) Разработано значительное число клеевых композиций на основе полимеров эфиров α-цианакриловой кислоты (например, композиции его с сополимером D, L-лактида и капролактона) § Клеи на основе природных полимеров (биоадгезивы) Основу таких клеев составляют белковые системы (фибриновые клеи) или полипептиды. Хорошими адгезионными свойствами обладают продукты сшивки желатина различными сшивающими агентами (формальдегид, глутаровый альдегид, карбодиимид, эпоксидсодержащие вещества) 30
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 8 Покрытия для пораженных участков кожи. 31
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Кожа ØКожные покровы занимают площадь 1, 5 -2 м 2 ØСредняя толщина кожи 1 -2 мм ØМасса кожи человека составляет около 5% от массы тела Øр. Н кожи 3, 8 -5, 6 ØНа 1 см 2 200 рецепторов и 100 пор ØЕе пронизывает огромное множество сосудов, нервов, протоков сальных и потовых желез. Слои кожи: ØЭпидермис – толщина 0, 03 -1 мм, представляет собой многослойный плоский ороговевающий эпителий; ØДерма – толщина до 2, 4 мм, состоит из плотной волокнистой соединительной ткани и так называемого основного вещества, в котором находятся коллагеновые и эластичные волокна; ØПодкожная жировая клетчатка – толщина от нескольких мм до нескольких см, состоит из рыхлой соединительной ткани, петли которой заполнены жировыми 32 клетками.
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Функции кожи: ØЗащитная – препятствует проникновению в организм болезнетворных микроорганизмов, защищает от механических и других вредных воздействий; ØДыхательная – обеспечивает 2% газообмена; ØВыделительная – обеспечивает удаление вместе с потом и кожным салом некоторых продуктов метаболизма; ØДепо крови – в сосудах кожи депонируется до 1 л крови; ØВосприятие раздражений из внешней среды – содержит болевые, температурные, тактильные рецепторы; ØОбменная – содержит запас жиров, в клетках кожи осуществляется синтез витамина D; ØТерморегуляторная – через кровеносные сосуды и потовые железы осуществляет теплоотдачу. 33
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Основы физиологии раневого процесса. Физиология раневого процесса (стадии): ØФаза воспаления, характеризующаяся наличием отека, обильного экссудата, проникновением в зону раны микробов, развитием некроза, расстройством микроциркуляции, нарушением обмена; ØФаза регенерации (или грануляции) – фаза образования и созревания – новой соединительной ткани; ØФаза завершения регенерации соединительной ткани и эпителизации Фаза завершения регенерации (образования на поверхности новой эпителиальной ткани). 34
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Требования к используемым материалам. Øспособность к защите раны от механического воздействия, загрязнения и проникновения патогенных микроорганизмов; Øспособность сорбировать экссудат, токсины, микробную массу и т. п. ; Øадгезия к тканям раны; Øопределенная проницаемость для водяного пара; Øдостаточная газопроницаемость для обеспечения регенеративных процессов, требующих присутствия кислорода; Øспособность к легкому удалению с поверхности раны при замене или рассасыванию с замещением новой кожей; Øналичие биологически активного действия(очистка раны от некротических тканей и продуктов распада, способность останавливать кровотечение, антисептическая активность, стимулирование восстановительного процесса); Øудобство применения как для медперсонала, так и для больного, легкость наложения и безболезненного удаления при необходимости. 35
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Назначение материала на разных стадиях течения раневого процесса. ØСоздание идеального покрытия, отвечающего всем требованиям невозможно! ØНа разных стадиях течения раневого процесса функции материала должны быть различными. ØФаза воспаления Наносимый материал должен обеспечивать активное очищение ран, в том числе за счет сорбции и ферментативных процессов. ØФаза регенерации Материал должен обеспечивать условия для роста новой соединительной ткани, причем на этой стадии целесообразно введение в материалы антисептических препаратов, что позволяет использовать их на инфицированной ране, и препаратов, способствующих росту ткани. ØФаза завершения регенерации Материал, обеспечивая требуемый уровень влажности среды, должен пропускать к ней кислород, обеспечивая условия для роста и миграции эпителиальных клеток. 36
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Материалы для начальных стадий раневого процесса. Традиционные перевязочные материалы Текстильные перевязочные материалы, главным образом, целлюлозные материалы. §Недостатки: не защищают организм от внешнего механического воздействия; нарушение газо- и массообмена через повязку с засохшим на ней слоем экссудата; высокая адгезия материала к ране. Гемостатические материалы Материалы для остановки кровотечения из ран: функциональные производные целлюлозы, содержащие карбоксильные, карбонильные и некоторые другие группы. Получают – окислением, карбоксиметилированием, прививкой к целлюлозе акриловой кислоты, получением сложных эфиров целлюлозы. карбоксиметилцеллюлоза 37
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Материалы для начальных стадий раневого процесса. Сорбирующие материалы Материалы, способные к дренированию раны с эффективным оттоком экссудата и микрофлоры и низкой склонностью к образованию в сорбирующем материале непроницаемого сплошного слоя засохшего экссудата. Углесорбционные материалы • Материалы содержат волоконную целлюлозную составляющую и сорбирующую составляющую на основе активированного угля. Природные полимеры для получения сорбирующих материалов • полисахариды (целлюлоза, декстран) • белки (коллаген, желатин) 38
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Материалы для начальных стадий раневого процесса. Синтетические полимеры для получения сорбирующих материалов • Пенополиуретан; • Поливиниловый спирт, сшитый глутаровым альдегидом; • Поли-N-винилпирролидон; • Сшитый полиэтиленгликоль; HO-CH 2 -(CH 2 -O-CH 2 -)n-CH 2 -OH • Блоксополимер оксидов этилена и пропилена; • Сополимеры акриламида. 39
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Материалы, обладающие биологической активностью. Материалы, содержащие иммобилизованные различными типами связей низкомолекулярные лекарственные вещества и протеолитические ферменты. Применяемые полимерные материалы: • целлюлозные волокнистые материалы; • альгиновая кислота; • белково-полисахаридные комплексы; • полиамиды; • поливиниловый спирт; • Полиэфируретаны. 40
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Пленочные покрытия. Материалы, которые могут быть нанесены на поверхность тела при утрате или повреждении кожного покрова с целью адекватного выполнения функций последнего. Способы образование пленки на поверхности раны: Øнанесение раствора полимера в безвредном органическом растворителе, например, этаноле (этанольный раствор фенолформальдегидной смолы и поливинилбутираля - медицинский клей «БФ-6» , пленкообразующая система «Лифузоль» на основе полибутилметакрилата); Øполимеризация мономеров на поверхности раны (препарат «Сульфакрилат» на основе мономерных цианакрилатов); Øнанесение на рану порошка полимера, образующего пленку после слипания (смесь порошкообразного поли-(2 -гидроксиэтил)метакрилата и жидкого полиэтиленгликоля). 41
Часть 2 Полимерные имплантаты. Покрытия для пораженных участков кожи. Пленочные покрытия. Использование заранее приготовленных пленок (при лечении необводненных ран в стадии эпителизации). Применяемые полимерные материалы: §поливиниловый спирт §полигликолевая кислота §силиконовые пленки §нетканое полотно на основе коллагена §пленка «Карбосил-П» на основе поликарбонатолигосилоксана Многослойные многофункциональные покрытия, содержащие: • верхний, обычно гидрофобный слой, защищающий кожу от проникновения вредных микроорганизмов, но проницаемый для кислорода и водяного пара • слой гидрофильного сорбирующего пористого, в некоторых случаях биодеградируемого, материала; • слой адгезива, обеспечивающий контакт поверхности раны с покрытием. 42
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 9 Полимерные имплантаты в офтальмологии. 43
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Строение глаза. ØГлаз (лат. oculus) - сенсорный орган человека, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. ØГлаз - периферическая часть зрительного анализатора. ØГлаз, или орган зрения, состоит из глазного яблока, зрительного нерва и вспомогательных органов (веки, слёзный аппарат, мышцы глазного яблока). ØГлазное яблоко отделено от остальной части глазницы плотной фиброзной капсулой (фасцией), позади которой находится жировая клетчатка. ØНормальное глазное яблоко имеет почти шаровидную форму диаметром около 2. 5 мм. Ø Масса глазного яблока 7— 8 г. 44
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Строение глаза. Оболочки глазного яблока: ØНаружная – склера и роговица; ØСредняя – сосудистая и радужка; ØВнутренняя – сетчатка. Функциональные аппараты глаза: Øрефракционный (светопреломляющий): роговица, камерная влага, хрусталик; стекловидное тело; Øаккомодационный (приспособительный): радужка со (приспособительный): зрачком и ресничное тело с ресничным пояском хрусталика; Øсенсорный (рецепторный). 45
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Направления в использовании полимеров. Наружное применение ØМягкие и жесткие контактные линзы ØПленки, содержащие лекарственные вещества Эндопротезы элементов глаза ØЭндопртезы целого глаза ØЭндопротезы хрусталика ØИмплантаты, оптимизирующие рефрактивные характеристики глаза ØУстройства для снижения внутриглазного давления ØЭндопротезы стекловидного тела ØЭндопротезы роговицы ØИмплантаты для реконструкции век, слезных протоков, радужной оболочки, склеры, сетчатки и прочее. 46
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Эндопротезирование целого глаза. Орбитальный имплантат или «Искусственный глаз» Эндопротез глаза, вставляемый в глазную впадину, не выполняет зрительную функцию и используется исключительно в косметических целях. Применяемые материалы: Стекло Полиметилметакрилат Силикон Гидроксиапатит Пористый полиэтилен неподвижные глазные протезы поворачивающиеся глазные протезы 47
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Эндопротезирование хрусталика глаза. Интраокулярные линзы Тонкие двояковыпуклые диски различного размера, имплантируемые чаще всего сзади радужной оболочки, реже – впереди ее. ØМонофокальные – восстанавливают только дальнее зрение ØБифокальные ØМультифокальные восстанавливают ближнее и дальнее зрение Применяемые полимерные материалы: Фиксирующие элементы – полипропилен, полиамид. Оптическая часть линзы – гидрофильный акрилат, полиметилметакрилат и его сополимеры с винилпирролидоном , коллагеном и другие, сшитый полисилоксан. 48
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Имплантаты, оптимизирующие рефрактивные характеристики глаза. Имплантируемые контактные линзы ØТонкие пластинки с отверстиями для крепления и круглой линзоподобной центральной частью или линзы с двумя нитеподобными «усиками» для закрепления. ØВводят через небольшой разрез в роговице и располагают между хрусталиком и радужной оболочкой. Применяемые полимерные материалы: ØПолиметилметакрилат ØСополимер коллагена и 2 -гидроксиэтилметакрилата Внутрироговичные сегменты Два дугообразных (150 о) имплантата толщиной 0, 25 -0, 5 мм, вводимые под эпителий роговицы. Инжектирование под роговицу гидрогелей (например, сшитый полиэтиленоксид) 49
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Устройства для снижения внутриглазного давления. ØОбеспечивают отток жидкости из передней камеры глаза или из области глазного яблока. Типы дренирующих устройств: vпористые стерженьки; vтрубочки (шунты); отвод жидкости из передней камеры глаза Применяемые полимерные материалы: Øколлаген склеры глаз животных; Øвспененный политетрафторэтилен. v. Клапаны (имеют более сложное строение). Применяемые полимерные материалы: Øполиметилметакрилат; Øсшитые силиконы; Øполипропилен; Øполиамиды. 50
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Другие примеры применения полимеров в офтальмологии. ØСтекловидное тело Имплантаты представляют собой гелевые системы различного состава, используемые для введения в глазное яблоко после удаления по тем или иным показаниям его содержимого с сохранением неповреженной склеры. Применяемые полимерные материалы: • Гели на основе сополимеров N-винилпирролидона с дивинилэтиленгликолем и Гели на основе этиленгликольдиметакрилатом, поливинилового спирта. ØРоговица Кератопротезы используются для эндопротезирования центральной оптической Кератопротезы части роговицы. Применяемые полимерные материалы: • Система на основе полисилоксана, покрытого поливинилпирролидоном, содержащая ободок, изготовленный из пористого политетрафторэтилена; • Пористая поликарбонатная мембрана; • Полиметилметакрилат. 51
Часть 2 Полимерные имплантаты в офтальмологии. Другие примеры применения полимеров в офтальмологии. ØРадужная оболочка Применяемые полимерные материалы: • коллаген; • композиция коллагена с 2 -гидроксиэтилметакрилатом; ØСклера Применяемые полимерные материалы: • пористый политетрафторэтилена. ØСетчатка Применяемые полимерные материалы: • Для лечения отслоения сетчатки используют эластичный биологически инертный силиконовый шнур, а также имплантат для механической фиксации сетчатки к подлежащим оболочкам глаза на основе поли - (2 - гидроксиэтил) – метакрилата. Ø «Искусственные слезы» Применяемые полимерные материалы: • Низкомолекулярного поли-И-винилпирролидон. 52
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 10 Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. 53
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Строение зуба человека. Дентин: -коллаген (15 -20%), -гидроксиаппатит (70%), -неколлагеновые белки (1 -2 %), -вода (10 -12 %), -клетки - одонтобласты. Эмаль - в основной массе состоит из неорганического вещества (кристаллы апатитов в виде эмалевых призм). Цемент - состав его близок к составу костной ткани: -гидроксиаппатит (60%), -коллаген (30 -40%), -клетки - цементоциты и цементобласты. 54
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Основные направления применения полимерных материалов в стоматологии Хирургическое Ортопедическое (эндопротезирование в челюстно-лицевой области) (полные и частичные протезы, коронки, мосты и т. п. ) Терапевтическое (замещение зубной ткани пломбировочными составами и лекарственными полимерными системами) 55
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Ортопедическое направление в стоматологии. Ортопедическая стоматология – это раздел стоматологии, который занимается протезированием зубов по определенным стоматологическим методикам и целью которых является восстановление целостности зубного ряда Виды протезирования: -микропротезирование (керамические виниры, вкладки), -съемное протезирование, -несъемное протезирование Используемые материалы: -металлы (сплавы золота, нержавеющая сталь, титановые, кобальтохромовые, серебрянопалладиевые сплавы), -неметаллы (керамические, полимерные материалы - акрилаты, поликарбонаты, целлулоид, нейлон, полиуретаны), -комбинированные (металлокерамические, металлопластмассовые. ) 56
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Терапевтическое направление в стоматологии. Требования, предъявляемые к пломбировочным композициям: 1. Достаточный уровень прочности ( высокая прочность к сжатию и удару, высокая износостойкость, высокая твердость), 2. Устойчивость при хранении в течении длительного времени, но быстрая отверждаемость после введения в полость зуба, 3. Отверждаемость в массе до высокой конверсии мономеров, отсутствие выделения вредных веществ после отверждения, 4. Высокая адгезия к тканям зуба, 5. Низкое водопоглощение, 6. Незначительное изменение объема при отверждении, 7. Отверждение при температуре тела или незначительно превышающей ее, 8. Устойчивость к окружающим тканям и жидкой среде полости рта, 9. Соответствие по внешнему виду тканям зуба. 57
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Полимерное связующее Отверждающая система Упрочняющий наполнитель Типы полимерных связующих: ØНенасыщенные соединения, ØЭпоксидсодержащие полимеры, ØСолевые системы на основе полифункциональных кислот. 58
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Типы полимерных связующих: ØНенасыщенные соединения: -полиметилметакрилат, -сополимет метилметакрилата и бутилметакрилата, -2, 2 -бис-[4 -(2’-гидрокси-3’-метакрилоксипропокси)фенил]пропан – “BIS-GMA” -с уретановыми группами -с кремнийорганическими группами -полифункциональные фторсодержащие олигомеры 59
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Наполнители: Назначение: адгезия к тканям зуба, повышение механических характеристик. -силикатные материалы (порошкообразное стекло, аэросил, стекловолокно) -кварц -гидроксиаппатит -силикагель -цеолит -диоксид титана Модификаторы: -3 -гидроксипропилтриэтоксисилан -(2 -метил-1, 3 -бутадиенил)триэтоксисилан -3 -аминопропилтриэтоксисилан -тетрахлорсилан 60
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Отверждающие системы: ØИнициаторы радикальной полимеризации: - окислительно-восстановительные системы (пероксид бензоила + третичный амин) • N, N-ди(2 -гидроксиэтил)-п-толуидин • 2 -[п-(N, N-диметил)-аминофенил]этанол • N, N-диметиламиноэтилметакрилат ØОтверждение с использованием облучения: -фотоинициаторы и фотосенсибилизаторы • алифатические эфиры бензоила • дикетоны (камфорохинон в присутствии третичного амина) 61
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Типы полимерных связующих: ØСистемы на основе эпоксидсодержащих полимеров Преимущества: незначительная усадка при отверждении высокая адгезия высокая водостойкость Смолы: ЭД-15, ЭД-16, ЭДВ-5, ЭДВ-7 и др. Отверждающие системы: • диэтилентриамин • полиэтиленполиамин • трехфтористый бор 62
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Типы полимерных связующих: ØПолиэлектролитные системы – полимерные комплексы полианионитов и переходных элементов: -цинк-поликарбоксилатный цемент Оксид цинка + полиакриловая кислота – полиакрилат цинка -цинк-фосфатный цемент Оксид цинка + фосфорная кислота – аморфный фосфат цинка -цинк-силикатнофосфатный цемент Оксид цинка/алюмосиликатное стекло + фосфорная кислота – цинкалюмосиликат-фосфатный гель -стеклоиономерный цемент -цинкоксидэвгеноловый цемент 63
Часть 2 Полимерные имплантаты. Полимерные пломбировочные составы в стоматологии. Полимерные пломбировочные композиции. Стоматологические клеи: -акрилатные системы (“BIS-GMA”) -кремнийорганические системы -на основе карбоксиметилцеллюлозы Лекарственные системы с использованием полимеров: -выделяющие фтор -выделяющие антибиотик (линкомицин) 64
Введение в технологию полимеров медикобиологического назначения Часть 2 Полимерные имплантаты. Тема 11 Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. 65
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Основные направления применения полимерных имплантатов при операциях на сердечно-сосудистой системе Имплантаты кровеносных сосудов Имплантаты систем кардиостимулирования Эндопротезы сердечных клапанов Прочие имплантаты Имплантаты, входящие в системы вспомогательного кровообращения (эндопротезы целого сердца, устройства, имитирующие работу левого желудочка, аортальные насосыбаллончики) 66
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Сердечно-сосудистая система — система органов, которая обеспечивает циркуляцию крови по организму человека. Два круга кровообращения: ØБольшой круг кровообращения обеспечивает кровью все органы и ткани, он начинается в левом желудочке, откуда выходит аорта, а заканчивается в правом предсердии, куда впадают полые вены. ØМалый круг кровообращения ограничен циркуляцией крови в лёгких, он начинается правым желудочком, из которого выходит лёгочный ствол, а заканчивается левым предсердием, в которое 67 впадают лёгочные вены.
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование кровеносных сосудов. Кровеносные сосуды — это полые трубки, по которым движется кровь. Сосуды, несущие кровь от сердца к органам называются артериями, а от органов к сердцу — венами. Показания к эндопротезированию : Обмен веществами между кровью и интерстициальной жидкостью происходит через проницаемую стенку капилляров — мелких сосудов, соединяющих артериальную и венозную системы. ü атеросклероз ü воспаления и поражения, приводящие к тромбозу и закупорке сосудов ü анастомозы ü травмы 68
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование кровеносных сосудов. Требования, предъявляемые к эндопротезам сосудов: üфункционирование в течение длительного времени (при биодеградации – замещение новой живой тканью) üматериал и конструкция сосуда не должны инициировать протекание тромбоза и травмировать компоненты крови (бесшовные) üэндопротез должен иметь тонкую стенку, достаточную жесткость в сочетании со способностью растягиваться, изгибаться и не пережиматься Гемосовместимость имплантата üнизкая адгезия компонентов крови к поверхности материала üзаполнение поверхности материала клетками эндотелиальной ткани üпроницаемость эндопротеза 69
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование кровеносных сосудов. Конструкция эндопротезов сосудов Øвнутренний диаметр – 3 -10 мм Øтолщина стенок – 0, 2 -0, 4 мм Øпористость эндопротезов: • трубки из текстильных материалов различной текстуры (вязаные, тканые, плетеные) • трубки со сплошной пористой стенкой Øгофрировка эндопротезов (кольцевая, винтовая, елочная) Марка Страна изготовитель Материал Конструкция Диаметр, мм Количество пор на 1 см 2 Толщина стенки, мм Проницаемость стенки, л/мин*см 2 De Bakey США ПЭТФ вязаный 10 440 0, 69 4, 62 Edwards США ПТФЭ тканый 18 1300 0, 28 0, 03 ТТФЛ Россия ПЭТФ: Фтор лон (60: 40) тканый 10 2100 0, 25 0, 80 70
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование кровеносных сосудов. Материалы эндопротезов сосудов Волокнистые материалы ØПолиэтилентерефталат (ПЭТФ) ØПолитетрафторэтилен (ПТФЭ) ØПЭТФ+ «Фторлон» (сополимер тетрафторэтилена и винилиденфторида) ØПЭТФ+полипропилен ØСегментированный полиуретан ØПолиэтиленоксид Материалы для сплошных пористых эндопротезов сосудов ØПТФЭ Биодеградируемые материалы для эндопротезов сосудов ØПолиуретаны ØПЭТФ+биодеградируемый полимер (полигликолевая кислота, коллаген, фибрин и др. ) Модификаторы внутренней поверхности эндопротеза ØСшитые гидрогели на основе коллагена, желатина, альбумина ØЛекарственные препараты (гепарин, дипиридамол, метранидазол) ØЖивые эндотелиальные клетки 71
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование клапанов сердца. Сердце – мышечный орган, обеспечивающий перемещение крови. Ø вес в норме – 180 -350 г. Ø имеет два предсердия, два желудочка и четыре клапана Øперекачивает 9 л крови в день, делая от 60 до 160 ударов в минуту. Показания к эндопротезированию : Клапаны – запорные устройства, состоящие из мышечных створок, обеспечивающие поступательное движение тока крови. Øтрехстворчатый – правый ü врожденные и приобретенные пороки предсердно-желудочковый сердца Øдвухстворчатый (митральный) – ü сердечная недостаточность (снижение левый предсердно-желудочковый замыкательной функции клапанов) Øтрехстворчатые – аортальный и üстенозы (уменьшение зазора клапана) легочный 72
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопртезирование клапанов сердца. Замещающие клапаны: Øмеханические • высокая прочность • возможность масштабного применения • более продолжительное время функционирования • высокая возможность тромбообразования • травмирующее действие на форменные элементы крови • повышение гидродинамического сопротивления Øбиопротезы (клапаны на основе клапанов и тканей животных) • хорошие гидродинамические характеристики • более высокий уровень биосовместимости • подвержены кальцификации в большей мере • опасность биодеградации 73
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование клапанов сердца. Требования к конструкциям и материалам эндопротезов клапанов сердца 1. Эндопротез должен легко вводиться хирургическим путемработы 2. Не должен вызывать отрицательной реакции окружающих тканей и организма в целом и в частности: • Не приводить к тромбозу и травмированию компонентов крови; • Не вызывать иммунной реакции и не приводить к отторжению; • Не производить при работе излишнего шума, приводящего к дискомфорту пациента. 3. Конструкция эндопротеза должна обеспечивать: • Легкое включение в ритм работы сердца; • Прямой ток и исключать обратный ток крови; • Длительную механическую прочность эндопротеза; • Отсутствие износа во время длительного функционирования; • Оптимальные гидродинамические характеристики. 74
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование клапанов сердца. Конструкции эндопротезов клапанов сердца Элементы конструкции: ØЗапирательный элемент – подвижная деталь, периодически открывающая и закрывающая отверстие для тока крови ØОграничитель для запирающего элемента ØОпорное кольцо – для крепления всей конструкции в тканях ØСедла – обеспечивает плотный контакт с запирательным элементом в момент закрытия зазора, исключающий обратный ток крови. Типы запирательного элемента: ØШариковые клапаны ØКлапаны с движущимся диском ØКлапаны с движущимися полудисками (двухстворчатые) 75
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезирование клапанов сердца. Материалы эндопротезов клапанов сердца каркас: Øтитан и титановые сплавы оплетка опорного кольца: ØПЭТФ ØПТФЭ ØПТЭФ+полипропилен ØПолиамиды запирательный элемент: Øжесткая силиконовая резина ØПТФЭ ØПолиформальдегид ØПЭСВММ Øпирролитический углерод Øсегментированные полиуретаны полимерные материалы для биопротезов (крепеж): Øполиэфиры 76
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезы целого сердца и имплантаты в системах вспомогательного кровообращения. Показание к эндопротезированию – потеря функциональной способности сердечной мышцы. Устройства, позволяющие частично или полностью восстановить насосную функцию сердца: Øэндопротезы целого сердца Øнасосы, восполняющие функцию левого желудочка Øаортальные насосы-баллончики Требования к эндопротезам целого сердца и насосам, воспроизводящим функцию левого желудочка: Øдолжен обеспечивать энергетические потребности организма Øне должен приводить к тромбообразованию и травмированию компонентов крови Øвозможность присоединения эндопротеза сердца к соответствующим артериям и венам Øвозможность размещения эндопротеза в грудной клетке в ортотопической позиции Øисточник энергии (внешний, внутренний) должен быть легким, прочным, надежным, легко регенерироваться или заменяться 77 Øустройство не должно нагреваться или должно охлаждаться током крови
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезы целого сердца и имплантаты в системах вспомогательного кровообращения. Конструкции насосов, воспроизводящих функцию левого желудочка: ØРотационные центрифугальные устройства ØУстройства, использующие винтовую и лопастную турбину ØЭлектрическое пульсирующее устройство ØПневматические системы 78
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезы целого сердца и имплантаты в системах вспомогательного кровообращения. Эндопротез сердца – две несоединяющиеся емкости, имитирующие желудочки и снабженные каждая одним входным и одним выходным клапаном. Для обеспечения насосной функции – эластичная пневмокамера: üдиафрагменная üМешотчатая Основная проблема – надежность привода 79
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Эндопротезы целого сердца и имплантаты в системах вспомогательного кровообращения. Внутриаортальные насосы-баллончики – эластичные емкости, вводимые в аорту и соединенные катетером с наружной пневмосистемой. üБаллончики увеличивают и уменьшают свой объем синхронно с пульсацией. Это помогает проталкивать кровь через аорту. üБаллончики заполняют CO 2 или гелием. Полимерные материалы, используемые для изготовления эндопротезов сердца и вспомогательных устройств: ØСегментированные полиуретаны ØПолиэфируретан ØСиликоновые резины (отвод к приводу) ØБлоксополикарбонатуретаны 80
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Электростимулирующие устройства. ØЭлектрокардиостимуляторы (водители ритма), постоянно ритмично воздействуют электрическим разрядом на мышцы стенки сердца. ØЭлектродефибрилляторы – периодически воздействуют на сердечную мышцу электрическим разрядом при систематических резких нарушениях ритма работы сердца. Требования к устройству и материалу имплантируемых электростимулирующих устройств: ØУстойчивое функционирование в течение всего срока службы ØСпособность обеспечивать оптимальный ритм подачи электрического импульса ØМинимальная масса и оптимальная геометрическая форма ØХимическая и коррозионная устойчивость ØУдовлетворение условиям работы с кровью ØДостаточная механическая и усталостная прочность Полимерные материалы для электростимулирующих устройств: Сегментированные полиуретаны и силиконы (оболочка проводов и электродов) 81
Часть 2 Полимерные имплантаты. Имплантаты в сердечно-сосудистой системе. Прочие области использования полимерных имплантатов в сердечно-сосудистой хирургии. Пломбировочные составы – заполнение аневризмов сосудов и их блокировка по хирургическим причинам (полимерные пробки) Применяемые материалы: эфиры цианакриловой кислоты Катетерные методы лечения поражений сосудов – расширение просвета сосуда за счет введения в него катетера, заканчивающегося эластичным баллончиком или стентом, способными к расширению Применяемые материалы: блоксополиуретаны, силиконы, ПЭТФ 82
Скачать презентацию Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Российский Химико-технологический
Полимеры медико-биологического назначения 7.ppt